“開(kāi)普勒”任務(wù)是美國(guó)航空航天局第1 0號(hào)發(fā)現(xiàn)任務(wù)，是專(zhuān)門(mén)用來(lái)觀測(cè)在銀河系中恒星系統(tǒng)宜居帶或宜居帶附近發(fā)現(xiàn)的幾十個(gè)地球大小的行星，并分析在銀河系數(shù)十億個(gè)恒星系統(tǒng)中有多少這樣的行星?！伴_(kāi)普勒”任務(wù)得到了美國(guó)航空航天局設(shè)在華盛頓的科學(xué)任務(wù)理事會(huì)的資助。艾姆斯研究中心負(fù)責(zé)執(zhí)行“開(kāi)普勒”使命、開(kāi)發(fā)接地系統(tǒng)以及分析科學(xué)數(shù)據(jù)。美國(guó)航空航天局設(shè)在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)“開(kāi)普勒”的任務(wù)研發(fā)。位于科羅拉多州博爾德市的保爾航空航天科技公司開(kāi)發(fā)了“開(kāi)普勒”飛行系統(tǒng)，并協(xié)助科羅拉多大學(xué)大氣空間物理實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行任務(wù)。巴爾的摩檔案館內(nèi)的空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)院負(fù)責(zé)保存和發(fā)布科學(xué)數(shù)據(jù)。

“開(kāi)普勒”任務(wù)的目標(biāo)是探討恒星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和多樣性。這要通過(guò)觀測(cè)大量恒星樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)：

①確定位于恒星系統(tǒng)宜居帶及宜居帶附近的較大行星的豐度;

②確定這些行星的軌道大小和形狀;

③估算在多恒星系統(tǒng)中有多少這樣的行星;

④確定短周期巨星的反射率、大小、質(zhì)量、密度和軌道大小;

⑤利用其他技術(shù)識(shí)別已發(fā)現(xiàn)的行星系統(tǒng)和它們的其他成員;

⑥確定其主恒星的屬性。

“開(kāi)普勒”任務(wù)也有助于美國(guó)航空航天局的起源主題任務(wù)——太空干涉測(cè)量法和類(lèi)地行星探測(cè)器，可通過(guò)識(shí)別主恒星的屬性進(jìn)行未知行星搜索，定義搜尋需要的空間體積，通過(guò)識(shí)別已知系統(tǒng)來(lái)搜尋類(lèi)地行星。

“開(kāi)普勒”任務(wù)的主要設(shè)計(jì)思路是通過(guò)凌星法來(lái)探測(cè)系外行星。正如我們看到的，當(dāng)行星在其主恒星前面橫穿而過(guò)時(shí)，會(huì)使觀測(cè)到的主恒星的光度變暗，這一過(guò)程被稱(chēng)為凌。如果這種光度變暗是由行星引起的，它一定會(huì)呈現(xiàn)出周期性，因此就提供了一個(gè)可高度重復(fù)的信號(hào)和很好的檢測(cè)方法。

利用美國(guó)航空航天局開(kāi)發(fā)的太空光度計(jì)，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡可以檢測(cè)到這種變化。一旦檢測(cè)到恒星周期性的光度變暗，便能根據(jù)周期的長(zhǎng)短估算出行星的軌道大小，從凌的深度（恒星的亮度下降多少）和恒星的大小得出行星的大小，同時(shí)運(yùn)用開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律估算行星的質(zhì)量。行星的表面溫度可以通過(guò)恒星的軌道大小和溫度計(jì)算出來(lái)，而行星的溫度是判斷其是否適宜居住的關(guān)鍵。

行星軌道能否橫穿恒星前方，其概率與沿著視線(xiàn)方向的軌道的直徑及恒星的直徑有關(guān)，即軌道正好對(duì)齊的概率等于軌道的直徑除以恒星的直徑。對(duì)地球大小的行星來(lái)說(shuō)，在1天文單位的距離上橫穿過(guò)太陽(yáng)大小的恒星的概率約為0.5%。對(duì)在距離恒星4光天的軌道上發(fā)現(xiàn)的巨行星來(lái)說(shuō)，這一概率可以達(dá)到1 0%。為了檢測(cè)到更多的類(lèi)地行星，人們不能只觀測(cè)幾個(gè)或者幾百個(gè)凌星現(xiàn)象，需要觀測(cè)成千上萬(wàn)個(gè)行星才可能發(fā)現(xiàn)幾個(gè)。在設(shè)計(jì)上，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡可以同時(shí)觀測(cè)超過(guò)1 0萬(wàn)顆恒星，并且每3 0分鐘測(cè)量一次它們的亮度變化。因此，如果地球是罕見(jiàn)的，零或者近似于零的結(jié)果仍然是有意義的。如果地球大小的行星很常見(jiàn)，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該可以探測(cè)到好幾百顆。

考慮到我們的目標(biāo)是在類(lèi)似太陽(yáng)的恒星的宜居帶找到類(lèi)地行星， 凌星的周期大約為1年。由于光度減弱得非常少，因此開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡必須至少連續(xù)3次觀察到行星凌星造成的光度變暗才能確定該行星。大行星凌星造成的信號(hào)比較容易被檢測(cè)出來(lái)，因此開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡最先發(fā)現(xiàn)的應(yīng)該是類(lèi)似木星或者更大的行星。對(duì)較小的行星和距離更遠(yuǎn)的行星來(lái)說(shuō)，需要花更多的時(shí)間。為了確定觀測(cè)結(jié)果，通常需要3年或更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡必須穩(wěn)定工作至少4年。如果開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定工作的時(shí)間超過(guò)4.5年，它就可能：

①通過(guò)觀測(cè)更多的凌星現(xiàn)象提高信噪比，檢測(cè)到更小的行星;

②在軌道上尋找公轉(zhuǎn)周期更長(zhǎng)的行星;

③圍繞恒星尋找更難找的行星。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的直徑為0.9 5米，也可以被稱(chēng)為光度計(jì)或測(cè)光表。這種大直徑的設(shè)計(jì)減少了光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的干擾，便于測(cè)量到類(lèi)地行星凌星亮度的細(xì)小變化。“開(kāi)普勒”的軌道也不在環(huán)繞地球的軌道上，而是在太陽(yáng)軌道上尾隨著地球。因此，它不會(huì)被地球遮蔽，光度計(jì)也不會(huì)受到來(lái)自地球的漫射光線(xiàn)的影響，可以持續(xù)觀測(cè)。此外，這樣的軌道也避免了引力攝動(dòng)和地球軌道的固有扭矩，可以提供更加穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)。